книги / Расчёты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов

С водой, содержащейся в асбестоцементных изделиях:

ОВ = 1,55.2940 = 4557 кг,

где 1,55 - масса воды в одном листе, кг.

И т о г о: 27048 кг.

Расходная часть по .массе

Учитываем сухую массу изделий (22491 кг). При по­

нижении давления до нуля находящаяся в порах асбесто­

цементных листов вода частично улетучивается в виде па­

ра, который направляется в свежезагруженный листами

автоклав; в результате влажность материала уменьшает­

ся, а его физико-механические свойства улучшаются.

Массу испаряющейся влаги в долях от массы изделия обычно принимают:

а = 0,01 NОизд = 0,01.2940.9,2 = 270,5 кг,

т. е. она составляет 1% массы изделия.

Масса влаги в асбестоцементных листах в конце запа­

ривания составляет

W = ОВ - а = 4557 - 270,5 = 4286,5 кг

Итого

27048 кг

4. Расчет теплового баланса автоклавной обработки

а) К:оличество (кдж на 1 цикл) теплоты на нагрев листов (сухой массы и влаги) составит

Qл = [тл Са.ц + тв СВ] N (t2 - ( 1) ,

где	тл -	масса сухого листа после пропаривания (7,65 кг);
-	Са Ц -	удельная теплоемкость асбесJfоцемента [0,838 кДжf(кгХ
		ХОС)] ;
	тв -	масса воды в одном листе после пропаривания (1,55 кг);
	СВ -	удельная теплоемкость воды [4,19 кДж/ (кг.ОС)];
	t, -	температура пара в автоклаве при давлении р=900 кПа
		(172,1 ОС).

TaKYI9 же температуру приобретают листы, вагонетки и стенки котла для запаривания. Эта температура зави­ сит не от избыточного давления в автоклаве (при этом

температура насыщенного пара, находящегося под дав­

лением 900 кПа, равна 175,35° С), а от парциального дав-

19*

291

ления пара, поэтому присутствие воздуха в автоклаве

является вредным.

Подставляя числовые значения, получаем:

QJI = [7,65.0,838+1,55.4,19] 2940 (172,1 -		25)=5581 163 кДж.
Количество теплоты на нагрев вагонеток QBr, кДж:
	QB r = тВР Сс.. n и, - (вг).
где твг -	масса одной вагонетки (300 кг);
Се.. -	удельная теплоемкость стали [0,48 кджf(кг,ОС)];
n -	число вагонеток, загружаемых в автоклав за один цикл
'вг -	(n=14);	(примем 20 ОС).
	начальная температура вагонеток

ТОГ.1l.а

QB.r = 300.0,48.14 (172, 1 - 20) = 306634 кДж,

Количество теплоты на нагрев автоклава, кДж:

	QaB = тав CC~ (t s - (ав),
где тав -	масса автоклава (20570 кг);
taB -	температура стенок аВТОКдава (при быстрой выгрузке и
	загрузке изделий taB ~ 1000 С);
	Qas = 20570·0,48 (172,1- 100) = 711887 кДж.

Общий расход теплоты на нагрев составит

Qf = QJI + Qar + QaB = 5 581 163+306634 +711887 = 6599684 кДж,

б) Количество теплоты на возмещение теряемой тепло­ ты автоклавом в период повышения температуры от 100 до 172, 1о С и в окружающую среду во время запарива­ ния при 172,10 С. Количество потерянной теплоты при

этом определяют следующим расчетом.

Определяем среднюю температуру котла запаривания

в период повышения давления пара:

_100 + 172,1	1368 С
tcp -	= .
2

Так как термические сопротивления стальных стенок

автоклава и термосопротивления теплообмену между

стенками и насыщенным паром незначительны по срав­

нению с l'ермическим сопротивлением тепловой изоля-

2112

ции, ТО мы их в расчете не учитываем. Определяем ко­ эффициент теплопередачи тепловой изоляции:

К1 = б	1
	l'
~+­
"'113	cxt

где "'113 - теплопроводность асбестотрепельной массы, Вт! (м·ОС),

которую определяем при средней температуре

•	tср-tиз	136-40	ос
tcp=	2	2	= 48 ;

"'из = 0,163 + 0,000185t~p [24];

"'IIЗ = 0,163 + 0,000185.48 = 0,172 Вт!(м.·С);

CXj- кОЭффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окру­ жающий воздух.

Для расчета теплового потока, теряемого аппаратом,

находящимся в закрытом помеЩеНии, при температуре

поверхностей стенки его до 150° С можно пользоваться

приближенной формулой [2}:

(%2 = 9,74 + 0,07 (tиз - 'в) = 9,74 + 0,07 (40-20)= 11,14 Вт{(м2."С).

Подставляя числовые значения, получаем:

Кж= =1,16Вт!(м2.ОС).

0,15 1

0,172 + 11,14

Определяем боковую площадь поверхности авто­

клава:

Sбои = 1tDLK = 3,14·2.19,245 = 121 м2 •

Тепловой поток через боковую поверхность в период

повышения температуры от 100 дО 172,I°С составит

Фбок=Кf ( t2 +2100			- tB) Sбок =
= 1,16 (	172,1+100	)	121 = 16214 Вт.
	2	20

Рассчитываем тепловой поток через крышки автокла­

ва, при этом крышки автоклава не изолированы. Коэф­ фициент теплопередачи составит

1

211З

где бк -	толщина стенки крышек (0,014 М);
дет -	теплопроводность стали, равная 58 ВТ/(М .ОС);
а2 -	коэффициент теплоотдачи				ОТ стенок крышек		в окружаю­
	щую среду, Вт/(м2 •ОС).
Средняя температура крышек равна средней темпера­
туре среды в автоклаве tcp = 1360 С.
Тогда
а2	= 9,74 + 0,07 (tcp -			(в) =	9,74 + 0,07 (136 -		20) =
			= 17,86 Вт/(м2,ос).
Отсюда
	К2		= 0,014	1	= 18 Вт!(м2,ос).
			58+ 17,86
Площадь поверхности крышек автоклава равна:
			лD~	л.22
			SKP=24"" = -2- = 6,28 м2.
Тепловой поток через крышки составит
Фкр = К2		иср - (в) SKP = 18 (136 - 20) 6,28 = 13 104_Вт.
Количество			теплоты в окружающую			среду в период
повышения		температуры		в	течение т! =	1,5 ч составит
	Ql =	(Фбок +Фкр) '(1 = (16214 + 13 104) 1,5 =
			= 43977.3,6 = 158317 кДж".

Количество теплоты в окружающую среду в период изотермической выдержки изделий при t2 = 172,1 о С в те­ чение Т2=6,5 ч.

Теплопроводность тепловой изоляции (асбозурита)

при средней ее температуре равна:
(	=t2 +fиэ = 172,1+40= 1060 С		.
ер	2	2

Определяем по формуле теплопроводность теплоизо­

ляции:

д~э = 0,163 + 0,000185 (~p;

д~з = 0,163 +0,000185.106 = 0,183 Втl(м.ОС).

* 1 ВТ'ч =3,6 кДж.

294

Коэффициент теплопередачи будет равен:

Кз = б	1	1	1	= 1,12 Вт/(м2 •ОС),
~+_ ~+_1_
"'из		(Х2 0,183	11,14

Определяют количество теплоты:

через площадь боковой поверхности aBTOKJIaBa

Q~OK = Кз и2 - tB ) SБОК "&'2 = 1,12 (172,1 - 20) 121·6,5=

= 133980 Вт·ч·3,6 = 482328 кДж;

через крышки котла подсчитывают как указано в работе

[59]:

коэффициент теплоотдачи от стенок крышек в окру­

жающий воздух при tcp=t2-.tв = 172,1-20= 152,10 С, оп­

ределяют по формуле

0:2 = 9, 74+ 0,07 tcp =			9,74 +	0,07·152,1 = 20,38 BTj(M2. 0 C).
Рассчитываем коэффициент теплопередачи:
К4 = б	1	1		1	= 20 Вт/(м2 •ОС).
_	к+ _		0,014 + _ 1 _
"'СТ (Х2			58	20,38
Тогда
Q~p = К4 (t2 -		tB )	SKP "&'2 =	20 (172,1 - 20) 6,28· 6,5 =
	= 124150 Вт·ч·3,6 = 446940 кДж.

Количество теплоты в окружающую среду в период

запаривания листов под давлением 900 кПа составит

Q2 = Q~K + Q~p = 482 328 + 446 940 = 929 268 кДж.

За один цикл работы автоклава общее количество по­

терянной теплоты составит

Q2 = Ql + Q2 = 158317 +929 268 =-1087 585 кДж.

в) Количество теплоты Qз на заполнение свободного

пространства котла. Расход пара на заполнение свобод­ ного пространства котла равен объему котла Vи без объема, занимаемого изделиями Vи и вагонетками VB •

Общий объем автоклава (котла) составит

VK	11,D2	11,.22	19,245 = 60,4 м3.
	= _к L K =	-
	4	4

295

Объем, заполняемый листами и вагонетками, равен

15,4 м3•

Объем пара равен:

Vn = VK - VH - VB = 60,4 - 15,4 = 45 м3 •

При температуре 172,1° С и давлении 900 кПа плотность

1 м3 насыщенного водяного пара р"=4,316 кг/м3• Энталь­

пия насыщенного пара при t2 = 172°,1 С /"=

=2789,6 кДж/кг.

Количество теплоты составит

Qз = J" VnP" = 2789,6.45·4,316 = 541 796 кДж.

Определяем общее теоретическое количество теплоты

на процесс запаривания:

Q' = Ql +Q2 +Qз = 6599684 + 1 087585 + 541 796 = 8 229065 кДж

Значения р" и /" берут из таблиц при температуре

пара к концу первого периода.

Вследствие гидратации портландцемент выделяет

теплоту, что частично снижает ее расход. В процессе запаривания 1 кг портландцемента выделяется (экзотер­

мия цемента) теплоты около Qц=250 кДж. Принимаем

содержание песка в песчанистом цементе 40%. В массу

асбестоцементного листа входят асбеста около а'= 14% и песчанистого цемента В= 860/0. Последний содержит

60% портландцемента.

Определяем количество теплоты от экзотермии це­

мента:

Q~ = qц mл NBb = 250·7,65·2940·0,86·0,6 = 2901 ЗЗ9 кДж.

Теоретическое количество теплоты, которое необходимо

подать в автоклав за один цикл, составит

Q = Q' - Q~ = 8229065 -	2901 339 = 5327726 кДж.
Энтальпия образующегося	конденсата при t2 = 172,1 о С

равна: lи=730,3 кДж/кг. Следовательно, 1 кг пара вы­

деляет теплоты в автоклаве

Qn = J" - JK = 2789,6-730,3 = 2059,3 кДж.

Теоретический расход пара на 1 цикл работы котла сос­

тавит

D-r = -Q = 5327726 = 2587 КГ.

Qn 2059,3

;296

5. Расчет фактического расхода пара в производстве

Практикой установлено, что фактический расход пара

в производстве обычно превышает теоретический на 30- 40%, т. е. в среднем на 35%. При принятых УСЛОВИЯХ ра­

боты фактический расход пара на 1 цикл работы авто­

клава составит

Dф = 1,35 D., = 1,35.2587 = 3492,4 кг.

Общая энтальпия фактического расхода пара равна:

in = Dф J" = 3492,4.2789,6 = 9 722400 кДж.

На основании вышеприведенного расчета составляем тепловой баланс автоклава (см. таблицу).

Тепловой баланс автоклава (кдж на 1 цикл)

Количество

Количество

теплоты

теплоты

Приходные

Расходные

статьи

статьн

I

...дж на

кДж на

%

I

%

1 цикл

1 цикл

ПОСТУПИЛО

ко-

Количество

личество

теп-

5327726

64,7

теплоты

на

лоты с паром

нагрев:

Вследствие

ЭК-

листов

ВО

5581 163

67,8

З0термии

це-

вагонеток .

306634

3,7

.

2901 339

35,3

711 887

8,7

мента

автоклава .

В окружающую

среду

.

1 087585

13,2

---

Пар.

. .

541 796

6,6

82290651

100

82290651

100

Итого.

Итого.

Из этого количества теплоты (9722400 кДж) на гидро­

термальную обработку асбестоцементных листов полезно израсходовано 5581163 кДж, что составляет 57,4%.

Значительная экономия пара (20% и более) может быть достигнута при работе автоклавов, если по оконча­

нии процесса запаривания пар выпускать не в атмосфе­

ру, а перепускать в другой автоклав для подогрева в нем

вновь загруженных изделий, так как первоначальное по­

вышение температуры и давления идет за счет тепла

отработанного пара.

297

Во избежание больших тепловых потерь в окружаю­ щую среду все внешние горячие поверхности (с t~50° С) автоклава покрывают тепловой изоляцией, которая спо­ собствует также интенсификации гидротермальной об­ работки и является одним из важнейших мероприятий по

технике безопасности и охране труда.

6. Циклограмма работы автоклавов

Работу отдельных автоклавов необходимо организо­

вать так, чтобы по окончании процесса пар выпускать не в атмосферу, а перепускать в Д~угой автоклав для подо-

Циклограмма работы автоклавов

а -	загрузка	автоклавов	I ч; б - изотермическая выдержка		б,5 ч, в - сниже­
ние	давления	и выпуск	пара 2 ч; г -	выгрузка автоклавов	0,5 ч, д - подъем
	давления; е -		перепуск, ж -	простой, 3 - перерыв	на обед

грева в нем вновь загруженных изделий. Для этого сос­

тавляют циклограмму работы автоклавов (см. рисунок),

которая показывает согласованность продолжительности

и порядка операций, а также последовательность вклю­ чения автоклавов для наиболее полного их использова­ ния. Если несколько периодически действующих автокла­

вов пускать одновременно, то затраты пара в котельной максимально увеличиваются, и она не сможет обеспечить

298

нормальную работу автоклавного цеха. В результате дав­ ление пара будет понижаться и технологический процесс

нарушится.

График включения атоклавов в работу должен спо­

собствовать четкой организации теплотехнического про­

цесса.

Производительность автоклава зависит от длитель­

ности отдельных операций, составляющих цикл его рабо­

ты (оборот автоклава). Сюда входит:

1) подготовка автоклава к работе, его загрузка и за­

крывание крышек;

2)подъем давления пара до 900 кПа;

3)изотермическое выдерживание полуфабриката в

автоклаве под давлением;

4)снижение давления пара в автоклаве;

5)спуск конденсата;

6)открывание крышек и выгрузка автоклава.

В автоклаве полуфабрикат выдерживают при задан­ ном давлении (900 кПа), добавляя пар из магистрали в

таком количестве, чтобы возместить потери теШlа через

стенки автоклава и поддерживать постоянную темпера­

туру в автоклаве.

Повышать температуру в автоклаве с использованием

перепуска нужно так же равномерно и с той же ско­

ростью, что и при пуске свежего пара. Это возможно при

полной автоматизации процесса запаривания.

При резком изменении температуры в автоклаве из­ делия выходят с браком.

Чтобы установить полноту выхода пара из автоклава, необходимо открывать контрольный кран.

7.Вспомогательные устройства и приборы автоклава

вкомплект входят следующие вспомогательные обо­ рудования и приборы:

1) передаточная тележка с электроприводом для пе­

ремещения вагонетки с материалом с одного пути на

другой;

2) электролебедка для втаскивания на передаточную

тележку вагонетки с материалом;

3)автоклавные вагонетки (ширина колеи 750 мм);

4)сеть трубопроводов: для впуска свежего пара, пе­

репуска отработанного пара из одного автоклава в дру­

гой, выпуска отработанного пара, отвода конденсацион­

ной воды;

299

5)арматура автоклава: вентили, предохранительный клапан, пробный и !шнтрольный кран и манометр;

6)электродвигатель механизма поворота крышки

мощностью 2,8 кВт. Время открывания (или закрыва­

ния) крышки 2 м;

7)программный пневматический регулятор запарива;

ния, KOMaHДHЫ~ электропневматический прибор и пять

регулирующих клапанов с мембранным приводом, уста­ новленных на трубопроводах автоклавов, входящие в

систему.

Поддержание требуемой температуры можно обеспе­ чивать также применением регуляторов РПД, которые

автоматически прекращают подачу пара при достижении

максимальной температуры и возобновляют его подачу, когда температура начинает снижаться. При большом

количестве автоклавов регуляторы давления можно ус­

танавливать отдельно для каждого цеха, имеющего са­

мостоятельные вводы пара от паровой сеlИ.

8. Расчет трубопроводов

Экономичность работы автоклавов также зависит от

правильного расчета пропускной способности паропрово­

дов и конденсатопроводов.

Для определения диаметров паропровоДов и конден­ сатопроводов должен быть известен требуемый расход пара (в объемных единицах или в единицах массы) и

выбрана скорость движения пара или жидкости. С уnели­ чением скорости диаметр lрубопровода, необходимый

при данном расходе, уменьшается, но возрастает потеря

давления и, следовательно, расход энергии на перемеще­

ние жидкости.

С уменьшением скорости расход энергии понижается, но увеличивается диаметр трубопровода и возрастает

его стоимость. Некоторая оптимальная скорость соответ­

ствует минимуму эксплуатационных расходов. Однако определение оптимальной скорости сложно, и обычно

скорость выбирают по практическим данным: пара при

давлении >9,81 кПа 15-25 м/с; жидкости при движе­

ниц самотеком (конденсат и др.) 0,1-0,5 м/с.

Диаметр трубопроводов определяют по уравнению

расхода по массе

пд2

ап = 3600 Svp = 3600 - 4d vp кгlч,

300